2490

Изучение физического маятника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Исследование законов колебательного движения физического маятника и определение ускорения свободного падения.

Русский

2013-01-06

99.16 KB

25 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Ф.Скорины»

Отчет по лабораторной работе

Изучение физического маятника

Выполнили:

студенты группы Ф–14

Кукобникова В.В.,

Лобан А.А.


Цель работы: Исследование законов колебательного движения физического маятника и определение ускорения свободного падения.

Приборы и принадлежности: установка FPM-04, линейка.

Краткие теоретические сведения

Физическим маятником (ФМ) называется твёрдое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси. Точка О пересечения этой оси с вертикальной плоскостью, проходящей через центр масс маятника, называется точкой подвеса.

Согласно основному уравнению динамики вращательного движения, в отсутствии сил сопротивления, уравнение движения ФМ имеет вид:

 (1)

где I - момент инерции маятника относительно оси качания, - угловое ускорение маятника, m - масса маятника, l - расстояние от точки подвеса до центра масс маятника.

Ограничиваясь, случаем малых углов () из (1) имеем:

 (2)

где введено обозначение

Нетрудно убедится, что решением записанного дифференциального уравнения (2) является функция:

т.е. угол  отклонения ФМ от вертикали изменяется по гармоническому закону. Следовательно, период колебаний ФМ равен:

 (3)

Как известно, период математического маятника:

 (4)

Сравнивая (3) и (4) находим, что ФМ колеблется с тем же периодом, что и математический, имеющий длину:

 (5)

Длина математического маятника , имеющего тот же период колебаний, что и данный ФМ, называется приведённой длиной физического маятника.

Точка , лежащая на прямой, соединяющей точку подвеса и центр тяжести с ФМ, на расстоянии от точки подвеса, называется центром качаний ФМ.

Точка подвеса О и центр качаний ФМ принято называть взаимными точками ФМ, так как они обладают следующим свойством: если перенести точку подвеса маятника в центр качаний, то прежняя точка подвеса станет центром качаний, причём период колебаний ФМ при этом не изменяется.

Экспериментальная проверка формул (4) и (5) составляет одну из задач данной работы.

Получим формулы (4) и (5) для ФМ, выполненного в виде тонкого однородного стержня массой m и длины l. Момент инерции тонкого стержня относительно оси, проходящей через центр масс С перпендикулярно плоскости рисунка, равен . По теореме Штейнера находим, что момент инерции стержня относительно оси качаний:

 (6)

Подставим (6) в (4) и (5), приходим к соотношению:

 (7)

 (8)

 (9)

 (10)

Соотношение удобно для анализа и экспериментальной проверки. В частности, из анализа на экстремум функции (7) следует, что при:

 (11)

Период Т физического маятника является минимальным.


Выполнение работы

Упражнение 1

Проверка формулы периода колебаний и определение приведённой длины физического маятника.

  1.  Определяем время t 10- 15 полных колебаний стержня. Результаты измерений заносим в таблицу 1 и определяем .

Таблица 1

N

t, (с)

T, (с)

h, (м)

l, (м)

Lпр, (м)

1

10

12,11

-

0,6

0,24

0,365

2

10

12,22

3

10

12,16

4

10

12,18

5

10

12,91

Ср. знач.

10

12,12

1,21

-

-

-

t = (12,12±0.0016) c.

  1.  По формуле , где N- число полных колебаний стержня, рассчитываем период колебаний ФМ.

с.

  1.  Измеряем длину стержня h и расстояние l от точки подвеса до центра тяжести, проверяем справедливость формулы (8).

; .

  1.  Пользуясь формулой (10) рассчитываем приведённую длину ФМ.

  1.  Повернув верхний кронштейн установки на и установив длину математического маятника определяем период колебаний математического маятника. Результаты измерений заносим в таблицу 2.

Таблица2

N

t, ( с)

Tмат, (с)

1

10

11,26

1,15

2

10

11,61

3

10

11,56

4

10

11,91

5

10

11,48

Ср. знач.

-

11,56

-

  1.  Сравниваем периоды колебаний физического и математического маятников.

Периоды колебаний физического и математического маятника, длина которого является приведенной длиной данного физического маятника, равны.


Упражнение 2

Исследование формулы периода колебаний ФМ.

  1.  Последовательно увеличивая расстояние L на 10 мм, измеряем время t 10-15 полных колебаний. Результаты заносим в таблицу 3.

Таблица 3

N

t1

t2

t3

Ср.знач. t

l, (м)

T, (c)

1

10

26,18

26,74

26,38

26,43

0,01

2,643

2

10

21,29

21,22

21,19

21,23

0,02

2,123

3

10

18,01

18,11

18,34

18,15

0,03

1,815

4

10

16,50

16,26

16,24

16,33

0,04

1,633

5

10

15,00

15,12

15,01

15,04

0,05

1,504

6

10

14,06

13,87

14,02

13,98

0,06

1,398

7

10

13,57

13,61

13,50

13,56

0,07

1,356

8

10

12,87

12,53

12,71

12,70

0,08

1,270

9

10

12,64

12,35

12,24

12,41

0,09

1,241

10

10

12,20

12,24

12,11

12,18

0,10

1,218

11

10

11,79

11,89

11,81

11,83

0,11

1,183

12

10

11,70

11,73

11,90

11,78

0,12

1,178

13

10

11,64

11,55

11,50

11,56

0,13

1,156

14

10

11,50

11,37

11,46

11,44

0,14

1,144

15

10

11,48

11,29

11,34

11,37

0,15

1,137

16

10

11,40

11,38

11,21

11,33

0,16

1,133

17

10

11,43

11,53

11,23

11,40

0,17

1,140

18

10

11,30

11,71

11,24

11,42

0,18

1,142

  1.  По результатам таблицы 2 строим график зависимости T.

l, см

Поведение графика объясняется на основании формулы .

  1.  По данным таблицы 2 строим график зависимости от и убеждаемся, что она является линейной.

, м

Вывод: исследовав законы колебательного движения физического маятника, определили, что время колебаний уменьшалось до определенного этапа, после чего оно опять стало увеличиваться; выяснили, что периоды колебаний физического и математического маятника, длина которого является приведенной длиной данного физического маятника, равны; период физического маятника не зависит от свойств вещества, из которого изготовлен ФМ, его массы, плотности, а определяется лишь расстоянием от точки подвеса до центра тяжести тела.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80764. Право граждан на благоприятную окружающую среду 31.86 KB
  Право на жизнь объединяет с правом на благоприятную окружающую среду то что первое несомненно связано с состоянием окружающей среды в которой проживает человек. По оценкам Всемирной организации здравоохранения состояние здоровья человека до 80 определяется условиями среды его обитания. Есть основания предположить что годы жизни укорочены наряду с другими причинами изза деградации окружающей среды. В той части в какой право на жизнь связано с охраной природной среды оно может защищаться способами и средствами предусмотренными...
80765. Право на достоверную информацию о состоянии окружающую среду. Источники экологической информации 33.31 KB
  Источники экологической информации. ФЗ Об информации информационных технологиях и защите информации предусматривает защиту прав граждан на экологическую информацию в том числе сведения о последствиях аварий и катастроф информацию о безопасности населенных пунктов. Подобная информация не может составлять государственную тайну доступ к данной информации не может быть ограничен. Одним из критериев такой информации является ее достоверность.
80766. Права общественных формирований в области охраны окружающей среды 31.04 KB
  Полномочия общественных экологических объединений в области охраны окружающей природной среды предусмотрены рядом законодательных актов. Федерального закона Об охране окружающей среды. Одним из примеров реализации прав общественных объединений в области охраны окружающей среды может служить опротестование Российским социально-экологическим союзом в Вологодском областном арбитражном суде решения вологодских властей о строительстве на территории Национального природно-исторического парка Русский Север образованного Правительством РФ в...
80767. Право собственности на природные объекты: понятие, виды, объекты и субъекты, основания возникновения 30.39 KB
  Земля и другие природные ресурсы могут находиться в частной государственной муниципальной и иных формах собственности. Земли которые не находятся в собственности граждан юридических лиц или муниципальных образований представляют собой государственную собственность. Право собственности на природные ресурсы возможность владения пользования и распоряжения данными природными ресурсами.
80768. Право природопользования: понятие, содержание и виды 35.24 KB
  Позитивное природопользование классифицируется по объекту природопользования на землепользование водопользование пользование лесами недрами и животным миром. Право природопользования понимается в двух значениях. В объективном смысле право природопользования это совокупность правовых норм регулирующих отношения по поводу использования и охраны природных ресурсов.
80769. Право общего природопользования 34.47 KB
  При этом однако в ряде случаев устанавливаются пределы и условия общего пользования природными ресурсами. Однако в составе земель поселений выделяются рекреационные территориальные зоны на которых осуществляется право общего землепользования. Землями общего пользования в значительной степени являются земли лесного фонда правовой режим которых определяется земельным законодательством.
80770. Право специального природопользования: основания возникновения и прекращения 31.45 KB
  Формы специального природопользования: комплексное природопользование; специальное пользование водами недрами объектами животного мира другими природными ресурсами. Необходимость введения комплексного природопользования обусловлена тем что нередко при предоставлении одного природного ресурса в пользование используются в большей или меньшей степени другие ресурсы либо на них оказывается воздействие. Право специального природопользования возникает на основании разрешений лицензий договоров оформляемых в рамках определенных в...
80771. Функции государственного экологического управления 29.4 KB
  Речь идет о распоряжении природными ресурсами об обеспечении рационального использования и воспроизводства природных ресурсов сохранения или восстановления благоприятного состояния окружающей среды соблюдения и защиты экологических прав и законных интересов граждан. Функции управления деятельность по обеспечению охраны окружающей природной среды и рационального природопользования: 1 создание системы органов управления в сфере охраны окружающей среды; 2 подзаконное нормотворчество; 3 распоряжение управление природными ресурсами; 4...
80772. Система и полномочия органов государственного экологического управления 33.24 KB
  Полномочия органов государственной власти Российской Федерации в сфере отношений связанных с охраной окружающей среды К полномочиям органов государственной власти Российской Федерации в сфере отношений связанных с охраной окружающей среды относятся: обеспечение проведения федеральной политики в области экологического развития Российской Федерации; разработка и издание федеральных законов и иных нормативных правовых актов в области охраны окружающей среды и контроль за их применением; разработка утверждение и обеспечение реализации...